半導(dǎo)體加工用金剛石工具現(xiàn)狀

軒 闖，向剛強(qiáng)，廖燕玲，謝德龍，呂 智，張鳳林

(1.廣東工業(yè)大學(xué)，廣州 510006； 2.廣東奔朗新材料股份有限公司，廣州 528313；3.中國(guó)有色桂林礦產(chǎn)地質(zhì)研究院有限公司，廣西 桂林 541004)

1 引言

半導(dǎo)體材料是指電阻率介于金屬與絕緣體之間的材料。因具有獨(dú)特的材料性能，半導(dǎo)體材料被用于晶體管、集成電路、電力電子器件和光電子器件等領(lǐng)域。在半導(dǎo)體晶片上進(jìn)行布線、刻蝕，制成的能夠?qū)崿F(xiàn)特定功能的器件就是芯片。

目前，信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展已進(jìn)入特大規(guī)模集成時(shí)代，物聯(lián)網(wǎng)、5G、人工智能等新興應(yīng)用領(lǐng)域已進(jìn)入快速發(fā)展階段[1-2]。圖1是我國(guó)近幾年芯片進(jìn)口數(shù)據(jù)，2019年進(jìn)口芯片額高達(dá)3040億美元，超過(guò)進(jìn)口石油的費(fèi)用，位列國(guó)內(nèi)進(jìn)口商品第一位。半導(dǎo)體的加工技術(shù)是芯片制造的基礎(chǔ)，也是國(guó)家高端裝備和先進(jìn)制造技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一。半導(dǎo)體加工是從晶棒到單個(gè)芯片的過(guò)程，金剛石工具在這一過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用，如晶棒剪裁、晶圓減薄、劃片等。

圖1 我國(guó)2016～2019年芯片進(jìn)口額(美元)Fig.1 Chip imports of China in 2016 - 2019

近幾年，我國(guó)半導(dǎo)體加工用金剛石工具發(fā)展迅速，但對(duì)高端產(chǎn)品的加工需求仍難以滿足。本文將從產(chǎn)業(yè)角度詳細(xì)分析半導(dǎo)體領(lǐng)域金剛石工具的發(fā)展現(xiàn)狀，以及與國(guó)外產(chǎn)品存在的差距并提出解決辦法。

2 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)金剛石工具現(xiàn)狀

2.1 半導(dǎo)體制程及金剛石工具

硅是應(yīng)用最廣泛的半導(dǎo)體材料，構(gòu)成集成電路半導(dǎo)體晶片(芯片)的90%以上都是硅晶片[3]。硅基芯片加工流程如圖2所示。在半導(dǎo)體硅的多個(gè)加工工序中，金剛石工具起著超精密加工的作用(見(jiàn)表1)。

圖2 單晶硅芯片制造流程簡(jiǎn)圖Fig.2 Flow chart of monocrystalline silicon chip manufacturing process

表1 半導(dǎo)體硅晶圓加工應(yīng)用的金剛石工具Table 1 Diamond tools for semiconductor silicon wafer processing application

2.1.1 前端工序中的金剛石工具

單晶硅半導(dǎo)體材料的前端加工工藝及使用的金剛石工具如圖3所示，在2000℃下，石英砂與碳發(fā)生置換反應(yīng)得到單晶硅，后經(jīng)直拉法或區(qū)熔法得到單晶硅棒[4]。

圖3 單晶硅半導(dǎo)體前端加工工序[6]Fig.3 Flow chart of front-end processing procedure of monocrystalline silicon semiconductor[6]

晶棒剪裁：直拉法得到晶棒后，按不同產(chǎn)品要求，使用電鍍金剛石帶鋸或內(nèi)圓切割刀片對(duì)其去頭裁尾。內(nèi)圓或外圓切割效率低、材料損失率大、加工質(zhì)量低，故目前多采用金剛石帶鋸來(lái)切割晶棒。

晶棒滾圓：已切除圓角的晶棒表面并非規(guī)則的圓柱形，需使用電鍍或燒結(jié)型金剛石杯形砂輪對(duì)晶棒滾圓，以達(dá)到所需直徑。

晶棒切片：晶棒切片的方法主要包括內(nèi)圓切割和線切割，線切割相較內(nèi)圓切割具有效率高、切割直徑大及鋸痕損失小等優(yōu)點(diǎn)。目前硅基半導(dǎo)體主要使用磨料線鋸切割加工方式，高速運(yùn)動(dòng)的鋼絲將磨料帶入切割區(qū)，形成磨料三體加工，把晶棒切割成硅片[5]。

晶圓片研磨：切片會(huì)使晶圓表面損傷，為提高晶圓表面質(zhì)量并去除表面損傷層，需使用杯形金剛石砂輪對(duì)硅片進(jìn)行粗磨與精磨。

晶圓片倒角與磨邊：線切割得到的晶圓片邊緣有毛刺、棱角、裂縫或其它缺陷，通過(guò)槽形小砂輪與磨邊砂輪將晶圓銳利的邊緣修正成弧形，可有效減少和避免后續(xù)工序中晶圓發(fā)生崩邊的可能性。

晶圓片減薄與拋光：晶圓上電路層的有效厚度為5～10μm，約占90%的襯底材料是為了保證晶圓片在加工、測(cè)試和轉(zhuǎn)運(yùn)中具有足夠的強(qiáng)度。因此，在保證晶圓具有一定強(qiáng)度的前提下，使用減薄砂輪控制晶圓片厚度，才能滿足下游企業(yè)對(duì)晶圓強(qiáng)度與厚度的要求。

2.1.2 封裝工序中的金剛石工具

單晶硅半導(dǎo)體材料的封裝工藝如圖4所示。

圖4 單晶硅半導(dǎo)體后端加工工序[6]Fig.4 Flow chart of back-end processing procedure of monocrystalline silicon semiconductor[6]

電路制作：晶圓片經(jīng)表面氧化、光刻與刻蝕加工后，晶圓內(nèi)形成邏輯電路。

拋光：晶圓片由以上加工工序引起的損傷層必須由化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)去除，化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)還可對(duì)硬的陶瓷基體和軟的金屬進(jìn)行高效、高質(zhì)量拋光，拋光過(guò)程中拋光墊會(huì)形成磨光層，嚴(yán)重影響拋光效率和精度[7]。因此，需要使用金剛石化學(xué)機(jī)械拋光墊修整器對(duì)拋光墊進(jìn)行加工，以使拋光墊在工作時(shí)保持平坦的表面和正常的粗糙度。

背面減?。壕A內(nèi)電路制作完成后，使用背面減薄砂輪減小晶圓厚度，減薄有利于芯片的散熱、提高其壽命和 縮小體積。

劃片：企業(yè)為節(jié)約成本和提高效率，常在一塊晶圓上制作幾千個(gè)IC芯片陣列，先利用激光對(duì)晶圓表面預(yù)開(kāi)槽，再利用劃片刀將單個(gè)芯片分離，以便于后續(xù)封裝工序[8]。晶圓的減薄與劃片在整個(gè)加工工序中至關(guān)重要，也是所有工序中對(duì)金剛石工具要求較高的環(huán)節(jié)。

2.2 半導(dǎo)體加工用金剛石工具現(xiàn)狀

近幾年國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體加工用金剛石工具與裝備發(fā)展迅速，在半導(dǎo)體加工用金剛石工具制備技術(shù)上取得了重大突破，國(guó)產(chǎn)金剛石工具在市場(chǎng)中也開(kāi)始嶄露頭角。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)如鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司、蘇州賽爾科技有限公司、上海新陽(yáng)半導(dǎo)體材料股份有限公司、南京三超新材料股份有限公司和鄭州琦升精密制造有限公司等公司的產(chǎn)品，在加工質(zhì)量和效率等方面已能達(dá)到進(jìn)口水平且具有極高性價(jià)比。

目前300mm尺寸的硅晶圓已成為國(guó)際主流，450mm的硅晶圓也已在研發(fā)中。直徑300mm硅晶圓的面積是200mm的2.25倍，能夠產(chǎn)出的芯片數(shù)量比200mm的多144塊。晶圓尺寸增大能夠使企業(yè)的生產(chǎn)效率成倍增加，但另一方面，晶圓尺寸增大會(huì)對(duì)金剛石工具提出更高要求。國(guó)產(chǎn)金剛石工具在晶棒剪裁、晶棒滾圓、切片、研磨和倒角工序已能達(dá)到進(jìn)口水平，但CMP修整器、減薄砂輪和劃片刀仍以進(jìn)口為主。

2.2.1 CMP修整器

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體器件更加趨向于集成化和微型化。當(dāng)半導(dǎo)體芯片的特征尺寸小于0.35μm時(shí)必須進(jìn)行全局平坦化，CMP是目前唯一的全局平坦化技術(shù)。CMP使用的拋光液由化學(xué)成分和亞微米或納米的磨料組成，通過(guò)化學(xué)腐蝕和機(jī)械力組合的方式去除加工材料。拋光墊直接與拋光液和晶圓片接觸，拋光墊表面的溝槽起著分布拋光液和排除廢液的作用，拋光墊的表面粗糙度和平整度直接影響著CMP的結(jié)果[9]。拋光墊在CMP加工過(guò)程中易老化、表面溝槽易堵塞，從而使拋光墊失去拋光的作用。此時(shí)需要金剛石修整器修整拋光墊的表面[10]，使拋光墊始終保持良好的拋光性能。CMP修整器起著去除拋光墊溝槽內(nèi)廢液、提高拋光墊表面粗糙度和改善拋光墊平面度的作用，因此，CMP修整器的性能直接影響晶圓表面全局平坦化的效果。如圖5所示，CMP修整器一般使用金屬基體，通過(guò)高溫釬焊技術(shù)將金剛石磨粒與基體結(jié)合。性能優(yōu)異的CMP修整器應(yīng)具備材料去除率高，金剛石磨粒不易脫落、等高度以及分布均勻等特征，如此才能保證晶圓片達(dá)到合格的全局平坦化。

圖5 CMP修整器[11-12]Fig.5 CMP dresser[11-12]

2.2.2 背面減薄砂輪現(xiàn)狀

減薄砂輪在芯片制備工藝過(guò)程中發(fā)揮著重要作用，一方面通過(guò)減薄工藝可以減小芯片整體厚度、利于散熱和集成化；另一方面可以降低晶圓表面損傷層厚度和表面粗糙度，釋放由減薄前各工序造成晶圓內(nèi)部積攢的內(nèi)應(yīng)力，降低劃片過(guò)程中單顆芯片的崩壞程度。晶圓減薄一般采用晶圓片自旋轉(zhuǎn)磨削，加工過(guò)程包括粗磨和精磨加工。粗磨加工的軸向進(jìn)給速度大，使用粒度較大的金剛石砂輪，以達(dá)到快速去除約90%的加工余量；精磨加工的軸向進(jìn)給速度較小，使用粒度極小的金剛石砂輪，精磨加工的目的有兩個(gè)：一是去除剩余的10%加工余量，二是消除粗磨加工造成的損傷層。目前晶圓減薄工業(yè)生產(chǎn)中常用的金剛石砂輪如表2所示。

表2 晶圓減薄砂輪參數(shù)Table 2 Grinding wheel parameters for wafer thinning

結(jié)合劑是影響金剛石砂輪性能和磨削效果的重要因素之一[13]，Liu[14]比較了不同類型結(jié)合劑金剛石砂輪磨削后的硅片表面粗糙度，發(fā)現(xiàn)樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪效果最優(yōu)，金屬結(jié)合劑砂輪效果最差，陶瓷結(jié)合劑砂輪效果居中。SiC、Si3N4等第三代半導(dǎo)體材料有硬度高、脆性大、易燒傷的特點(diǎn)，導(dǎo)致使用傳統(tǒng)陶瓷結(jié)合劑、樹(shù)脂結(jié)合劑和金屬結(jié)合劑金剛石砂輪難以達(dá)到加工要求。復(fù)合型結(jié)合劑(金屬/樹(shù)脂、金屬/陶瓷復(fù)合結(jié)合劑)綜合兩種結(jié)合劑的優(yōu)點(diǎn)，目前研究較多的金屬樹(shù)脂復(fù)合型結(jié)合劑，具有壽命長(zhǎng)、自銳性好、形變小和加工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，在精密陶瓷部件的加工中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。復(fù)合型結(jié)合劑金剛石砂輪，在第三代半導(dǎo)體材料減薄中具有廣闊的應(yīng)用前景。

晶圓磨削用樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪主要采用酚醛樹(shù)脂，樹(shù)脂結(jié)合劑具有原材料來(lái)源豐富、成型簡(jiǎn)單、自銳性好和效率高等優(yōu)點(diǎn)[15]，但樹(shù)脂結(jié)合劑也存在耐熱溫度低、易氧化、分解、吸潮、粘結(jié)強(qiáng)度低等不足[16]。硅與碳化硅等半導(dǎo)體材料的磨削加工過(guò)程中，樹(shù)脂結(jié)合劑是常用的粘結(jié)材料[17-19]。但樹(shù)脂結(jié)合劑不宜用在超細(xì)粒度的金剛石磨具中，一方面是由于樹(shù)脂結(jié)合劑材料的導(dǎo)熱差，磨削產(chǎn)生的熱量不易散出[20]；另一方面，樹(shù)脂結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力較低，當(dāng)金剛石粒度較小時(shí)，樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪結(jié)構(gòu)需要更加致密才能保證對(duì)金剛石有一定的把持力，但這也會(huì)導(dǎo)致砂輪的氣孔率降低[21]。

晶圓亞表面損傷層厚度是衡量加工質(zhì)量的重要指標(biāo)，有研究表明，晶圓的亞表面損傷層厚度約等于金剛石磨粒尺寸的一半[22]。高端產(chǎn)品會(huì)使用4000～8000目金剛石砂輪，甚至有些會(huì)使用超過(guò)12000目的金剛石砂輪。陶瓷結(jié)合劑具有耐高溫、硬度高、耐磨性好、氣孔率可調(diào)，彈性模量約是樹(shù)脂結(jié)合劑的4倍，對(duì)金剛石磨料的把持力較高等優(yōu)點(diǎn)[23-24]。Zhou等[7]以氧化鈰(CeO2)為添加劑制備了一種新型陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪，該砂輪使用20000目金剛石磨料，結(jié)合劑對(duì)金剛石磨料把持力較好并具有較高的氣孔率，可以使研磨硅晶圓表面粗糙度值達(dá)到0.98nm。Zhang等[25]以碳化硅(SiC)為輔助磨料制備了超細(xì)陶瓷結(jié)合劑金剛石砂輪， SiC作為輔助磨料可使砂輪始終保持一定的磨削能力，該砂輪使用0.9μm的金剛石磨料，研磨硅晶圓的表面粗糙度和亞表面損傷層厚度分別為1nm和60nm。

在晶圓減薄金剛石工具方面，國(guó)內(nèi)公司包括中國(guó)砂輪企業(yè)股份有限公司(臺(tái)灣)、鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司、蘇州賽爾科技有限公司、南京三超新材料股份有限公司、鄭州琦升精密制造有限公司等均生產(chǎn)晶圓減薄金剛石砂輪。中國(guó)砂輪企業(yè)股份有限公司(KINIK COMPANY)的K02/01系列晶圓減薄砂輪采用的金剛石粒度為4000#～6000#，如圖6所示，詳細(xì)參數(shù)如表3所示。

圖6 中國(guó)砂輪公司產(chǎn)品[26]Fig.6 Products of China Grinding Wheel Company[26]

表3 K02/01系列減薄砂輪詳細(xì)加工參數(shù)Table 3 Detailed machining parameters of K02/01 series thinning and grinding wheels

鄭州磨料磨具磨削研究所有限公司在國(guó)內(nèi)(大陸)晶片減薄工具市場(chǎng)具有突出優(yōu)勢(shì)，其生產(chǎn)的晶圓減薄金剛石砂輪工具種類較多，可應(yīng)用于單晶硅、砷化鎵(GaAs)、氮化鎵(GaN)晶片的背面減薄，如圖7所示。

圖7 鄭州磨料磨具磨削研究所晶片減薄砂輪[27]Fig.7 Wafer thinning and grinding wheels of Zhengzhou Abrasives Grinding Research Institute[27]

國(guó)外半導(dǎo)體加工用金剛石工具生產(chǎn)廠家主要以日本DISCO公司、日本旭金剛石株式會(huì)社、東京精密株式會(huì)社、韓國(guó)二和(EHWA)金剛石會(huì)社以及美國(guó)UKAM工業(yè)超硬材料工具公司等為主，各公司的產(chǎn)品均具有一定優(yōu)勢(shì)，其中日本DISCO工具質(zhì)量最優(yōu)且市場(chǎng)占有率最高。日本DISCO公司的Poligrind、UltraPoligrind等系列晶圓減薄砂輪已批量用于8英寸和12英寸晶圓加工制造，如圖8所示，均處于國(guó)際先進(jìn)水平。其中Poligrind晶圓減薄砂輪在加工8英寸硅晶圓片時(shí)翹曲度為3.5mm、表面粗糙度為0.009μm。UltraPoligrind晶圓減薄砂輪在Poligrind的基礎(chǔ)上減小了晶圓破壞層、提升了去庛效果。

2.2.3 劃片刀產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

根據(jù)安裝方法可以分為硬刀和軟刀。軟刀使用法蘭固定，具有刀具露出量大、價(jià)格低、可更換法蘭使用的特點(diǎn)，但需使用磨刀使刀具達(dá)到真圓效果且刀具與法蘭接觸處會(huì)有微量跳動(dòng)。硬刀是指刃體與法蘭一體化，刀具露出量小，不能加工較厚產(chǎn)品[29]。劃片是晶圓加工的最后一道工序，劃片刀的質(zhì)量會(huì)直接影響單顆芯片的質(zhì)量。半導(dǎo)體材料為典型的硬脆材料，硬度大、脆性高、斷裂韌性低，劃片中最重要的問(wèn)題是崩裂。一旦出現(xiàn)崩裂，將會(huì)使芯片報(bào)廢，導(dǎo)致整個(gè)加工工序失效[30]。

崩裂是由于劃片刀在高速切割晶圓時(shí)，晶圓表面承受機(jī)械力并產(chǎn)生負(fù)載現(xiàn)象，當(dāng)負(fù)載超過(guò)晶圓彈性極限時(shí)會(huì)發(fā)生崩裂。影響劃片刀加工質(zhì)量的主要有三個(gè)因素：金剛石粒度、金剛石密度、結(jié)合劑強(qiáng)度。金剛石粒度小，劃片刀自銳性好，刀具鋒利切割后晶圓崩裂程度小，但加工效率低、壽命短；金剛石粒度大，加工效率高，壽命長(zhǎng)，但加工質(zhì)量較差。金剛石密度大，劃片刀抗負(fù)載能力差，切割后晶圓崩裂程度大，但壽命長(zhǎng)；金剛石密度小，劃片刀抗負(fù)載能力提升，加工質(zhì)量較高，但壽命會(huì)縮短。結(jié)合劑強(qiáng)度低，刀具能夠保持良好的自銳性和高加工質(zhì)量，但壽命較短；結(jié)合劑強(qiáng)度高，刀具的使用壽命長(zhǎng)，但切割硬材料時(shí)容易損壞，加工質(zhì)量不如軟結(jié)合劑劃片刀的高。

Tangaaha等[31]指出硅晶圓側(cè)面崩裂是由于背面崩裂產(chǎn)生的裂紋向正面延伸的結(jié)果。龔平等[32-33]指出金剛石粒度小的劃片刀切割硅晶圓正面崩裂小、背面崩裂大；軟結(jié)合劑強(qiáng)度劃片刀切割硅晶圓，背面崩裂小，對(duì)正面崩裂無(wú)影響；高密度金剛石劃片刀切割硅晶圓，背面崩裂大，對(duì)正面崩裂無(wú)影響。張迪[34]的研究表明，劃片刀配方對(duì)砷化鎵晶圓切割崩裂尺寸影響規(guī)律與硅晶圓存在差異，即磨料粒度越細(xì),正、背、側(cè)面崩裂尺寸越小;而磨料濃度和 結(jié)合劑強(qiáng)度與砷化鎵晶圓正、背、側(cè)面的切割質(zhì)量相關(guān)性并不顯著。

單純使用劃片刀進(jìn)行機(jī)械切割會(huì)不可避免地產(chǎn)生崩裂現(xiàn)象，于是便出現(xiàn)了如等離子切割[35]、熱激光分離[36]、激光全劃、半劃和隱形劃切、水導(dǎo)激光劃切等切割技術(shù)。但目前使用劃片刀機(jī)械切割仍然是最具成本效益的制造工藝，因此針對(duì)劃片刀的研究依然具有重要意義。

在晶圓劃片刀方面，近3年來(lái)國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)出幾家有突出研發(fā)能力的公司，如蘇州賽爾科技有限公司、上海新陽(yáng)半導(dǎo)體材料股份有限公司、深圳希斯特科技有限公司等，其產(chǎn)品在各個(gè)半導(dǎo)體制造企業(yè)已經(jīng)有一定的應(yīng)用，并逐漸可以取代一些進(jìn)口產(chǎn)品。進(jìn)口產(chǎn)品方面還是以日本DISCO公司在晶圓劃片刀市場(chǎng)占有率最高，其次是以色列的K&S公司。

2.3 半導(dǎo)體加工設(shè)備現(xiàn)狀

晶圓減薄和劃片相關(guān)設(shè)備國(guó)內(nèi)以沈陽(yáng)和研科技有限公司(沈陽(yáng)和研)、中電電子科技集團(tuán)第四十五研究所(中電45所)為主，國(guó)外以日本DISCO、東京精密株式會(huì)社和以色列ADT公司(已被先進(jìn)微電子有限公司收購(gòu))為主。

沈陽(yáng)和研目前是國(guó)內(nèi)規(guī)模最大、出貨量最多的劃片機(jī)供應(yīng)商，也是國(guó)內(nèi)研究起步最早的公司。沈陽(yáng)和研生產(chǎn)的劃片機(jī)的出貨量與DISCO相當(dāng)，很多機(jī)型已能替代進(jìn)口產(chǎn)品，具有加工精度高、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。

中電45所生產(chǎn)的劃片機(jī)和減薄機(jī)主要面向中電科集團(tuán)以及科研院所，晶圓減薄機(jī)具有高測(cè)量精度和重復(fù)精度，劃片機(jī)可應(yīng)用于8英寸和6英寸晶圓生產(chǎn)。

日本DISCO公司是全球最大的劃片機(jī)供應(yīng)商，減薄機(jī)也在市場(chǎng)中占據(jù)主導(dǎo)地位。DISCO減薄機(jī)可針對(duì)厚度在100μm以下的晶圓進(jìn)行精密研磨，DF8540減薄機(jī)具有質(zhì)量小、可靠性高、精度高等特點(diǎn)；劃片機(jī)作為行業(yè)標(biāo)桿級(jí)產(chǎn)品具有加工效率高、工藝簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。DISCO、東京精密與以色列ADT是全球晶圓切割裝備的三大供應(yīng)商，中高端設(shè)備市場(chǎng)已基本被三大巨頭壟斷，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體封裝設(shè)備也以進(jìn)口三家設(shè)備為主。

3 半導(dǎo)體加工金剛石工具的一些熱點(diǎn)問(wèn)題

3.1 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)金剛石工具市場(chǎng)

國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體加工用金剛石工具市場(chǎng)總規(guī)模不小于30億，不同金剛石工具份額見(jiàn)圖9。其中減薄砂輪和劃片刀占比較大，分別為26.5%和55%。國(guó)產(chǎn)減薄砂輪和劃片刀與國(guó)外的產(chǎn)品差距較大，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占比較低(見(jiàn)圖10)。國(guó)產(chǎn)減薄砂輪和劃片刀市場(chǎng)占有率僅為10%和9%，高端半導(dǎo)體加工企業(yè)所用金剛石工具基本上被國(guó)外產(chǎn)品壟斷。

圖9 不同金剛石工具市場(chǎng)份額Fig.9 Market share of different diamond tools

圖10 國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品在我國(guó)市場(chǎng)份額Fig.10 Market share of domestic and foreign products in China

3.2 國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體加工用金剛石工具與國(guó)外產(chǎn)品的差距

近年來(lái)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體金剛石工具發(fā)展迅速，在一些領(lǐng)域取得了重大成果。在一些領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)金剛石工具性能已能達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平，如晶棒剪裁、晶棒滾圓、晶圓倒角與開(kāi)槽以及晶片研磨工藝中的金剛石工具已能自給。與前述工藝不同，晶圓片的減薄與劃片技術(shù)門(mén)檻更高。晶圓的減薄要求產(chǎn)品翹曲度小、表面粗糙度小以及不被砂輪污染等，這些條件就需要減薄砂輪需具有組織均勻、氣孔率適宜、結(jié)合劑性能優(yōu)異及產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。減薄砂輪差距最大的是結(jié)合劑，國(guó)產(chǎn)結(jié)合劑在異相材料潤(rùn)濕性、流動(dòng)性及機(jī)械強(qiáng)度方面與國(guó)外的差距明顯，結(jié)合劑的差距會(huì)導(dǎo)致宏觀力學(xué)性能與微觀磨損行為之間的差異。晶圓劃片要求劃片刀具有切縫小、蛇形小及加工質(zhì)量穩(wěn)定等特點(diǎn)，目前國(guó)際劃片刀最高水平可以達(dá)到10～12μm的切縫寬度，常規(guī)的切縫在23±3μm之間。國(guó)產(chǎn)劃片刀僅有個(gè)別企業(yè)可以達(dá)到進(jìn)口產(chǎn)品水平，但大部分企業(yè)產(chǎn)品的切縫偏差較大，加工質(zhì)量不穩(wěn)定。

預(yù)計(jì)短時(shí)間內(nèi)國(guó)內(nèi)難以突破減薄砂輪技術(shù)瓶頸，企業(yè)要加大2000#以上細(xì)粒度減薄砂輪的研發(fā)，加大結(jié)合劑研發(fā)力度，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。目前我國(guó)劃片工具面臨的技術(shù)難點(diǎn)是力學(xué)性能和切削性能的平衡控制，要解決這個(gè)問(wèn)題就要從材料、結(jié)合劑組織、力學(xué)性能、制造精度等方面著手分析國(guó)內(nèi)外產(chǎn)品的差距，力爭(zhēng)突破技術(shù)瓶頸。國(guó)內(nèi)金剛石工具必須不斷實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，并且要能做到長(zhǎng)時(shí)間的“大投入，低回報(bào)”，才能在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)以及國(guó)際市場(chǎng)占據(jù)一席之地。

3.3 差距原因分析

(1)技術(shù)沉淀、創(chuàng)新力度不足

我國(guó)半導(dǎo)體加工用金剛石工具研究起步晚，近幾年我國(guó)超硬材料制品行業(yè)取得了重大成果，但在半導(dǎo)體高端加工工具方面與國(guó)外相比仍有不小的差距。半導(dǎo)體金剛石工具研發(fā)周期長(zhǎng)、難度大、投入與回報(bào)間隔大，投入大量研發(fā)資金但產(chǎn)品質(zhì)量仍不盡人意的現(xiàn)象也是常態(tài)，這也是我國(guó)要達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平的必經(jīng)之路。沒(méi)有對(duì)產(chǎn)品的技術(shù)積累就很難把產(chǎn)品做精做強(qiáng)，日本DISCO公司前身是做加工設(shè)備起家，有了對(duì)工藝更深的認(rèn)識(shí)才會(huì)把工具做強(qiáng)。國(guó)內(nèi)一些企業(yè)本身缺乏足夠的技術(shù)沉淀，卻又想一手抓全，什么都想做，就會(huì)導(dǎo)致什么都做不精。同時(shí)，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)抓風(fēng)口，賺快錢，難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期技術(shù)儲(chǔ)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。

(2)半導(dǎo)體加工高端工具影響因素復(fù)雜

半導(dǎo)體高端加工工具門(mén)檻高，對(duì)金剛石工具的要求高。半導(dǎo)體精密加工不僅需要高質(zhì)量的金剛石工具，還需要人員、設(shè)備、原料、環(huán)境以及工藝相互協(xié)調(diào)配合。國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家多是采用進(jìn)口設(shè)備，國(guó)產(chǎn)金剛石工具與設(shè)備的匹配度會(huì)直接影響產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

(3)產(chǎn)業(yè)上下游合作不足

芯片價(jià)格昂貴，對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)定性要求更高。因此芯片制備廠家對(duì)于國(guó)產(chǎn)金剛石工具處于觀望狀態(tài)，廠家不會(huì)輕易采用國(guó)產(chǎn)金剛石工具測(cè)試調(diào)整工藝。這就導(dǎo)致了金剛石工具廠家無(wú)法得到客戶對(duì)于自己產(chǎn)品的反饋，從而減緩產(chǎn)品研發(fā)進(jìn)度和技術(shù)積累，難以給客戶一個(gè)完整的使用方案。要增強(qiáng)與高端產(chǎn)品制造企業(yè)的溝通，積極宣傳國(guó)產(chǎn)工具，認(rèn)真聽(tīng)取客戶建議，與客戶做好工藝上的協(xié)調(diào)。遵循先易后難、循序漸進(jìn)的原則，爭(zhēng)取在2～5年內(nèi)全面替代進(jìn)口產(chǎn)品。

(4)產(chǎn)學(xué)研合作不足

相關(guān)行業(yè)機(jī)構(gòu)應(yīng)積極向政府有關(guān)方面反映實(shí)情，獲取政策和經(jīng)費(fèi)上的支持，行業(yè)精英應(yīng)積極推進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，讓更多的學(xué)者、研究人員、科研院所和相關(guān)企業(yè)共同參與，合力攻關(guān)核心技術(shù)。半導(dǎo)體金剛石工具技術(shù)門(mén)檻高、市場(chǎng)小，有技術(shù)沉淀的公司應(yīng)擴(kuò)大自主品牌的影響力，把核心產(chǎn)品做精、做強(qiáng)。

3.4 第三代半導(dǎo)體加工用金剛石工具的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

碳化硅半導(dǎo)體材料具有寬禁帶寬度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，可在高輻射、高溫等極端環(huán)境下穩(wěn)定工作，是未來(lái)航空航天、新能源、核能等領(lǐng)域的理想材料。但碳化硅硬度極高，僅次于金剛石，化學(xué)惰性強(qiáng)以及單晶碳化硅的各向異性等特點(diǎn)，使得碳化硅半導(dǎo)體材料的切割、研拋難度增大[37]。目前，我國(guó)已有大量科研院所、相關(guān)機(jī)構(gòu)以及企業(yè)參與到碳化硅半導(dǎo)體材料的研發(fā)中，但我國(guó)在大尺寸碳化硅半導(dǎo)體材料加工方面仍處于落后狀態(tài)。在碳化硅市場(chǎng)中，美日歐處于領(lǐng)跑位置，其中美國(guó)Cree公司、Ⅱ-Ⅵ公司等占據(jù)市場(chǎng)70%的份額，其次歐洲英飛凌、意法半導(dǎo)體等公司；日本羅姆半導(dǎo)體、三菱電機(jī)等公司緊隨其后。目前，我國(guó)在碳化硅半導(dǎo)體材料減薄、劃片工序用刀具方面與國(guó)外的差距較大。如國(guó)際碳化硅襯底的厚度已由原來(lái)的200μm減至100μm，而我國(guó)仍處于350μm的最初水平。碳化硅半導(dǎo)體材料加工用減薄、劃片工具仍以進(jìn)口為主。

我國(guó)政府對(duì)包括碳化硅在內(nèi)的第三代半導(dǎo)體材料高度重視，2004年啟動(dòng)第三代半導(dǎo)體領(lǐng)域的一系列重大研究項(xiàng)目、2013年“863”計(jì)劃將第三代半導(dǎo)體材料及其應(yīng)用列為重要內(nèi)容、2015年和2016年國(guó)家科技重大專項(xiàng)02項(xiàng)對(duì)第三代半導(dǎo)體功率器件的研發(fā)與應(yīng)用立項(xiàng)。國(guó)家高度重視與科研院所、企業(yè)齊心搞創(chuàng)新，近幾年在碳化硅加工方面取得了重大突破。另一方面，新產(chǎn)業(yè)相較舊產(chǎn)業(yè)具有相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)少、技術(shù)積累少、品牌影響力小等特點(diǎn)，這也給了我國(guó)在第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)彎道超車的機(jī)會(huì)。

4 展望

自2018年以來(lái)，中美貿(mào)易摩擦不斷升級(jí)，使我國(guó)高端技術(shù)產(chǎn)業(yè)受到一定程度的打擊。我國(guó)華為技術(shù)有限公司，一直走在芯片設(shè)計(jì)技術(shù)的世界前列，但芯片制備中的關(guān)鍵技術(shù)與裝備如光刻機(jī)等被美國(guó)封鎖，嚴(yán)重影響了企業(yè)的發(fā)展。

中美貿(mào)易摩擦是一把雙刃劍，一方面會(huì)使我國(guó)高端技術(shù)產(chǎn)業(yè)在短時(shí)間內(nèi)處于受制于人、卡脖子的狀態(tài)；另一方面，貿(mào)易摩擦?xí)贡聘叨思夹g(shù)產(chǎn)業(yè)加快自主創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)、突破核心技術(shù)。在這個(gè)大背景下，也正是我國(guó)半導(dǎo)體加工高端工具行業(yè)發(fā)展的大好時(shí)機(jī)。

為加快半導(dǎo)體加工高端工具行業(yè)的發(fā)展，應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)性研究，加大半導(dǎo)體加工高端金剛石工具(減薄砂輪和劃片刀)的研發(fā)力度，加強(qiáng)自主創(chuàng)新力度。呼吁政府加大對(duì)有資質(zhì)企業(yè)的政策扶持力度，不斷提高自主研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量和附加值，不斷提升我國(guó)民族品牌影響力，爭(zhēng)取打破技術(shù)封鎖的現(xiàn)狀。加強(qiáng)金剛石工具與半導(dǎo)體加工企業(yè)的溝通與合作、產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，設(shè)備、工具與工藝相匹配，逐步突破技術(shù)瓶頸，從而實(shí)現(xiàn)我國(guó)由制造業(yè)大國(guó)轉(zhuǎn)變?yōu)橹圃鞓I(yè)強(qiáng)國(guó)的偉大征程。